Fermentative Produktion von L-Phenylalanin m i t Escherichia coli

3.2 Bioprozessentwicklung
Blasensäulenreaktoren. Der Rührkessel ist aufgrund seiner universellen und flexiblen Einsetzbarkeit
am weitesten verbreitet. Bioreaktoren unterscheiden sich darüber hinaus je
nach Anwendung in der Größe. Schüttelkolben werden wegen ihren einfachen Handhabung
und den geringen Kosten oftmals zur grundlegenden Charakterisierung von Biokatalysatoren
verwendet, während die weitere Prozessentwicklung im Labor- und Pilotbioreaktor
bis hin zum Produktionsbioreaktor erfolgt. Dabei spielen Hydrodynamik, Leistungseintrag,
Durchmischung und Stofftransport im Bioreaktor eine Rolle.
3.2.2 Prozessführung in Bioreaktoren
Neben der Wahl eines geeigneten Reaktortyps ist die Reaktionsführung entscheidend.
Dabei wird zwischen Satzverfahren (engl. Batch, geschlossenes Verfahren), Zulaufverfahren
(engl. Fed-Batch, teiloffen) und kontinuierlichem Verfahren (offen) unterschieden. In der
industriellen Produktion werden Satzverfahren und Zulaufverfahren bevorzugt verwendet,
um Probleme mit der Stabilität von Produktionsorganismen und der Sterilität bei langer
Prozessdauer zu vermeiden [Schuegerl und Bellgardt 2000].
In Abb. 3.6 ist ein idealer Rührkesselreaktor im Satz-, im Zulauf- und im kontinuierlichen
Verfahren dargestellt. Zur Vereinfachung wird von einem idealen System ausgegangen. Die
allgemeine Bilanzgleichung zur Beschreibung des Systems lautet:
d(V · ci)
dt
= ˙ Vein · ci,ein − ˙ Vaus · ci,aus ± ri · V (3.1)
mit 4 :
V Fermentationsvolumen [l]
ci Konzentration der Komponente i [mmol/l]
ci,ein Eingangskonzentration [mmol/l]
ci,aus Ausgangskonzentration [mmol/l]
˙Vein Volumenstrom des Zulauf [l/h]
˙Vaus Volumenstrom des Ablaufs [l/h]
ri spez. Reaktionsgeschwindigkeit der Komponente i [mmol/(l·h)]
i Substrat (S), Biomasse (X), Produkt (P)
Satzverfahren (Batch)
Bei diesem Verfahren werden alle Medienbestandteile im Bioreaktor vorgelegt. Nur
Sauerstoff und Korrekturmittel, zu denen Säure, Lauge oder Antischaummittel gehören,
werden zugegeben. Wachstum und Produktion erfolgen bis zu dem Zeitpunkt, an dem eine
der Mediumkomponenten aufgebraucht ist oder die Anhäufung eines Produkts inhibierend
wirkt. Die Zellzahl lässt sich bei Verwertung von nur einem Substrat mit der allgemeinen
sigmoiden Wachstumskurve beschreiben, bestehend aus der Lag-Phase, in der sich die Zellen
auf die Nährstoff- und Reaktionsbedingungen einstellen, der exponentiellen Phase mit
maximalem Wachstum, der stationären Phase und der Absterbephase [Schlegel 1992]. Der
4 Anstelle von SI-Einheiten sind die Einheiten angegeben, die zur Berechnung entsprechender Größen
verwendet wurden.
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